CHƯƠNG 1. Tổng quan Hiện nay, nhà thông minh không còn xa lạ với nhiều người. Các doanh nghiệp đã tung ra nhiều giải pháp nhằm hiện đại hóa cho ngôi nhà. Một ngôi nhà trong đó các thiết bị điện có thể kết nối với nhau và tự động điều khiển như đèn chiếu sáng, điện gia dụng, điều hòa.
Bạn sẽ dễ dàng kiểm soát hoạt động của ngôi nhà từ bất cứ đâu chỉ cần có một chiếc máy tính hay một điện thoại thông minh. Những kịch bản tự động hóa trong ngôi nhà thông minh sẽ đem lại sự tiện nghỉ, thoải mái và an toàn hon cho gia chủ. Một trở ngại lớn của những sản phẩm nhà thông minh có thương hiệu là mức giá cao so với thu nhập người dùng trong nước. Bên cạnh đó là nỗi lo của người dùng về khả năng kết nối giữa các thiết bị, trong vài trường hợp các sản phẩm của nhiều nhà sản xuất khác nhau sẽ không kết nối được với nhau do khác công nghệ.
Và trên hết là chủ nhân ngôi nhà đang sống có thể phải thay các thiết bị điện cũ, thiết kế lại hệ thống điện trong nhà gây ra một sự lãng phí lớn. Chính vì vậy, nhiều doanh nghiệp tập trung theo hướng sản xuất các thiết bị hỗ trợ kết nối không dây như wifi, zigbee,. cho các công tắc, 6 cắm và thiết bị điện phụ trợ và phát triển ứng dung dé kết nối chúng lại với nhau tạo. thành một hệ sinh thái nhà thông minh.
Hệ thống trung tâm điều khiển của ngôi nhà được cài đặt trên máy tính nhúng nhỏ gọn đặt tại nhà, mở ra nhiều cơ hội cho việc lập trình kịch bản tùy biến, phù hợp với những thói quen, hành vi sinh hoạt của gia chủ. Ngoài ra, để tăng tính linh hoạt, thông minh và thân thiện hơn, nhà thông minh cũng cần có khả năng nhận biết và tắt mở thiết bị một cách tự động dựa trên thói quen trong một thời gian sử dụng của gia chủ. Tuyên bố các vấn đề Hiệu quả của nhà thông minh mang lại lợi ích cho con người là không thé chối bỏ. Hiện nay, có hai xu hướng dé các nhà sản xuất hướng đến: - Một là xây dựng hệ sinh thái toàn diện cho hệ thống nhà thông minh của riêng mình, vì vậy cần sử dụng đồng bộ các thiết bị của nhà sản xuất mới có thể phát huy được hiệu năng của nó.
Giải pháp này có chỉ phí cao và hướng đến những người có mức sống cao, các khu đô thị thông minh. - Hai là sản xuất các sản phẩm thông minh hoạt động độc lập có thể thay thế từng thiết bị nhỏ trong gia đình tùy mục đích sử dụng, chúng thường được điều khiển bởi một ứng dụng thông qua Cloud của nhà sản suất. Giải pháp này có chỉ phí thấp, sử dụng theo nhu cầu nhỏ, không cần phải có trung tâm điều khién hay thiết bị đồng bộ và phải luôn đảm bảo ngôi nhà luôn có kết nối internet. Cả hai hướng trên đều chỉ dừng lại ở mức độ thiết lập tự động hóa và thực thi các ngữ cảnh được thiết lập trước theo kịch bản, không phát huy hết được kha năng của công nghệ có thé 4p dụng vào một ngôi nhà thông minh.
Một số mô hình máy học thông qua hoạt động, hành vi của con người tuy đạt kết quả khá cao nhưng cũng là một thách thức vì sự phức tạp, bất thường của cuộc sống con người trong nhà có một hoặc nhiều người làm cho việc nhận dạng trở nên phức tạp. Để đạt được điều đó, cần lắp đặt cảm biến tại nhiều vị trí khác nhau trong một khu vực để có thể nhận dạng được hành vi của người trong nhà và một số thuật toán dự vào cảm biến và học máy đã được thử nghiệm để tăng độ chính xác nhận dạng hoạt động của con người. Dù vậy, thách thức lớn hơn đặt ra khi lắp đặt những cảm biến này, mặc dù có chi phí khiêm tốn, nhưng nhìn chung vẫn nằm ngoài tầm với của hầu hết mọi người khi lắp một số lượng lớn. Ngoài ra, đối với một ngôi nhà tự động hóa không thể thiết bị nào, vị trí nào cũng có thể thiết lập tự động hóa, mà người dùng cần phải thao tác trực tiếp.
Để khắc phục và hiện thực hóa những hạn chế này, cần có một hệ thống ghi nhận các hoạt động khác nhau của con người thông qua sự tương tác của người dùng lên thiết bị trong một thời gian sử dụng và hệ thống có thể tự động đưa ra hành động chuẩn xác lên thiết bị mà người dùng không cần phải tác động trong cùng thời gian đó. Phương pháp luận Để xây dựng một hệ thống nhà thông minh cơ bản, ứng dụng thực tế, cung cấp đầy đủ các yêu cầu về tự động hóa các ngữ cảnh, khắc phục được các hạn chế trên, có khả năng tự động điều khiển thiết bị sau thời gian dài sử dụng thông qua thói quen sử dụng thiết bị gia đình hàng ngày với một mức chỉ phí hợp lý. Các bước triên khai như sau: Bước 1: Tiến hành flashing firmware Tasmota lên phần cứng các thiết bị điều khiển thương mại sử dụng chip ESP8266 dé tái cấu hình thiết bị. Thiết lập các chân GPIO sao cho phù hợp với loại thiết bị đang sử dụng.
Bước 2: Triển khai cài đặt máy chủ nền tảng Raspbian Desktops và Docker để cài đặt các Images từ Docker Hub trên thiết bị phần cứng Raspberry Pi4. Bước 3: Triển khai cài đặt hệ thống nhà thông minh Home Assistant Container. Đây là thành phần chính tạo nên sức sống cho ngôi nhà, có khả năng kết nối các thiết bị IoT và điều khiển chúng. Home Assistant đóng vai trò vừa là frontend cung cấp giao diện người dùng, vừa là backend xử lý và lưu trữ các event bus vào Database.
Bước 4: Triển khai Mosquitto MQTT Broker trên Docker container dé kết nối với Home Assistant thu thập dữ liệu từ cảm biến và điều khiển thiết bị 10 Bước 5: Xây dựng một hệ thống nhận dạng đối tượng thông qua hình ảnh camera đề phân biệt người hay vật trong việc phát hiện chuyển động và đếm số lượng đối tượng phát hiện đề kết hợp với automation điều khiển thiết bị. Bước 6: Phát triển thuật toán nhận dạng các hoạt động điều khiển tương tự từ Event Database trong khoảng thời gian sử dụng từ đó kích hoạt điều khiển thiết bị một cách tự động. Phạm vi và giới han Hiện nay, các hệ sinh thái nhà thông minh được các nhà sản xuất đầu tư, phát triển tương đối hoàn thiện như BKAV, LUMI cơ bản đáp ứng đầy đủ nhu cầu người dùng, có khả năng kết nói, điều khiển từ xa thông qua internet. Trong phạm vi báo cáo này em xin phép xây dựng một thống trên cơ sở DIY từ các thiết bị thương mại nhằm tìm hiều hoạt động, nghiên cứu và phát triển hệ thống riêng biệt nhưng có thể kết nói được các sản phẩm thông minh từ nhiều nhà sản xuất khác nhau bằng tái cấu hình thiết bị kết hợp với các mã nguồn mở và ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong nhận dạng đối tượng và nhận dạng hoạt động dé tự động điều khién các thiết bị trong nhà.
Mô hình thực nghiệm hệ thống nhà thông minh được lắp đặt tại nhà gồm có 3 phòng gồm 1 phòng khách, 1 phòng ngủ và 1 phòng ăn trong đó: - Phòng khách gồm các thiết bị: Cảm biến nhiệt độ và độ 4m, cảm biết áp suất, cảm biến ánh sáng, cảm biến chuyền động, cảm biến cửa đóng mở, tivi, quạt điều khién từ xa, đèn sinh hoạt, đèn ngủ, đèn led trang trí. - Phòng ngủ gồm các thié i: Cảm biến nhiệt độ và độ 4m, cảm biến ánh sáng, cảm biến chuyển động, cảm biến cửa đóng mở, tivi, quạt điều khiển từ xa, điều hòa, đèn sinh hoạt, đèn ngủ. - Phòng ăn gồm các thiết bị: Cảm biến chuyển động, đèn sinh hoạt, đèn led bếp, đèn tolet Các cảm biến ghi nhận trạng thái, số liệu tại mỗi vị trí gửi về máy chủ trung tâm thông qua hệ thống mạng không dây wifi và zigbee. Máy chủ trung tâm đóng vai trò thu thập dữ liệu cảm biến và gửi lệnh điều khiển thiết bị.
Cấu trúc luận văn Cấu trúc luận văn sẽ bao gồm các nội dung sau: - Chương | (Tổng quan): Nội dung chương này bao gồm giới thiệu tổng quan về dé tài, hướng nghiên cứu, mục đích của dé tài. - Chương 2 (Tổng quan tình hình nghiên cứu giải pháp nhà thông minh): Trình bày tổng quan các mô hình, giải pháp nhà thông minh đang phổ biến hiện nay và một số dé tài liên quan trong và ngoài nước. Các co sở lý thuyết liên quan đến giải pháp thực hiện luận văn. - Chương 3 (Thiết kế hệ thống): Trình bày chỉ tiết quá trình thiết kế hệ thống từ việc lựa chọn phần cứng, cài đặt và cấu hình ứng dụng, xây dựng mô hình tổng thé cho ngôi nhà thông minh.
- Chương 4 (Xây dựng kịch bản, ngữ cảnh): Trình bày các kịch bản và ngữ cảnh được xây dựng dựa trên nhu cầu của người dùng kết hợp dữ liệu thu thập từ cam biến và các dịch vụ hỗ trợ khác như IFTTT. - Chương 5 (Thiết kế giải pháp thông minh): Trình bày và ứng dụng kỹ thuật nhận dạng đối tượng bằng TensorFlow dựa trên model đã được trained. Trình bày thuật toán tự động bật tắt thiết bị thông qua thói quen bật tắt thiết bị trong thời gian sử dụng. - Chương 6 (Kết quả và hướng phát triển): Đánh giá những kết quả đạt được của giải pháp, những hạn chế tồn tại và đề xuất hướng phát triển trong tương lai.
TONG QUAN TINH HÌNH NGHIÊN CUU VÀ CONG NGHE LIEN QUAN 2. Một số công nghệ không dây trong IoTs Công nghệ nhà thông minh được thiết kế và lắp đặt theo 2 hình thức có dây và không dây. Tùy vào quy mô của ngôi nhà sẽ chọn hình thức phù hợp để đảm bảo ngôi nhà hoạt động ồn định mang lại hiệu quả cao. Nhà thông minh có dây tích hợp phù hợp với không gian lớn có nhiều tầng.
Ưu điểm của hình thức này là khả năng truyền tải dữ liệu nhanh chóng, ồn định, không bị hạn chế bởi sóng truyền dẫn. Tuy nhiên, hệ thống này cần bỏ ra một khoản chi phí lớn cùng nhiều công đoạn lắp đặt. Đối với nhà thông minh không dây toàn bộ thiết bị được tích hợp công nghệ truyền dẫn không dây (Internet of Things) cho các thiết bị điện, điện tử dé điều khiển và thu thập dữ liệu. Công nghệ này được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, trong đó nồi bật nhất là lĩnh vực nhà thông minh.